Forskning i installations teknologi for GIS-udstyr i opførelsen af 110 kV understation

Gas-isolerede skifter (GIS) består af kredsløbsbrydere, frakoblere, jordingskifter, strømtransformatorer, spændingstransformatorer, lynfanger, busbarer, forbindelser og udgangsterminaler. Med højere pålidelighed, sikkerhed og relativt lille pladsforbrug anvendes det bredt i design og konstruktion af højspændingsunderstations. I byområder og tætbefolkede områder er GIS den foretrukne løsning på grund af dets kompakte struktur og fremragende isoleringsegenskaber.

Dog står 110 kV-klasse understationer over for mange udfordringer ved installation af GIS-udstyr. Dette inkluderer præcis placering af udstyr, komplekse elektriske forbindelser samt systemkommissionering og test. Desuden skal understationernes tekniske design også tage højde for plads til drift og vedligeholdelse af udstyr, således at alle elektriske komponenter fungerer pålideligt og kan opgraderes eller vedligeholdes let i fremtiden.

Installationskrav for GIS-udstyr i 110 kV-understationer

De kernevorte for IEC 62271-203 certificeret GIS-udstyr ligger i dets kompakte design og fremragende elektriske ydeevne, hvilket gør det muligt at håndtere transmission og distribution af højspændingsstrøm inden for en begrænset plads. Derfor skal der under installationen i 110 kV-understationer gives nøjagtig overvejelse til udstyrskonfiguration, rumlige layout og kompatibilitet med eksisterende systemer.

Først skal dimensionerne af den forhåndsbestemte installationsplacering måles, og det skal sikres, at denne placering kan opfylde miljøkravene for udstyrets drift, såsom temperatur, fugtighed og seismisk ydeevne. Denne trin er afgørende, da ydeevnen af IEC 62271-203 certificeret GIS-udstyr er betydeligt påvirket af installationsmiljøet.

Dernæst skal der udarbejdes et omhyggeligt plan for elektrisk installationsopstilling for at sikre, at alle elektriske forbindelser udføres i strikt overensstemmelse med producentens specifikationer og overholder Statens Net sikkertstandarder. Dette inkluderer design og layout af jordningsystem, kableruter og beskyttelsessystemer for IEC 62271-203 certificeret GIS-udstyr. Hver aspekt skal præcist implementeres for at undgå eventuelle potentielle sikkerhedsrisici.

GIS-udstyr installations teknologi
Transport og forberedelse af udstyr

Under transport kræver GIS-udstyr – som består af tunge metalbeholder (typisk flere tons) og sensitive elektriske komponenter – vibrationskontrol inden for 3–60 Hz og acceleration ≤0,3g (tyngdeacceleration). Transportprotokoller skal overholde standarder for elektrisk udstyr for at minimere chok til sensitive komponenter og reducere fejlprocenten før installation.

Emballage skal bruge vibrationsmodstandende og vandtætte materialer. For eksempel skal hovedskalder være fuldt omsluttede i ≥10 cm tyk skum og forstærket med stive PVC-skaller, ifølge producentens specifikationer. Tørrerstoffer skal opretholde intern fugtighed ≤40% for at forhindre fugtindtrængen.

Lagringsbetingelser kræver temperaturkontrol mellem -10°C og 40°C med relativ fugtighed ≤70% for at beskytte metal og isoleringsmaterialer. Lagringsområder skal være beskyttet mod elektromagnetisk støj, støv og korrodionsmidler. Da GIS-udstyrs vægt ofte overstiger 25 tons, skal hejsningselementer have en kapacitet på ≥30 ton med stabilitet, der opfylder konstruktionskrav. Hanteringshastigheder bør ikke overstige 2 m/min for at undgå skader på grund af stød.

Forinstallation på stedet test er afgørende, herunder isolationsmodstand, jordingsmodstand og fasekontroller. Alle resultater skal overholde standarder for at sikre, at udstyrsydeevnen opfylder designspecifikationer. Tekniske krav til transport og forberedelse er detaljeret i Tabel 1. Desuden er prisen på 145kV-kredsløbsbryder en central faktor i indkøb og samlet projektkostnadsvurdering.

Udstyrsbehandling og placering
Når GIS-udstyr flyttes, er den generelle hejsningskapacitetsdesignbelastning normalt mere end 25% højere end udstyrets egen vægt for at sikre en sikkerhedsmargen under flytningen. For eksempel, når GIS-modullets vægt er 20 ton, skal den anvendte kraan have en hejsningskapacitet på mindst 25 ton. Samtidig skal kraanens stabilitet evalueres for at undgå, at den falder over på grund af belastningsafvigelse under operation. Under den faktiske transport af GIS-udstyr, bør transporthastigheden ikke overstige 2 m/min. Dette kan reducere vibration og potentielle skader på udstyr på grund af overskridelse af hastigheden. Før hver flytning, skal det kontrolleres, om der er tilstrækkelig plads og stabil understøttelsesoverflade på ruten for at undgå, at udstyr hælder eller fald på grund af ulige overflade. Under placeringen, er præcision en afgørende faktor. Positionsforskellen ved installation af GIS-udstyr skal kontrolleres inden for ± 5mm for at sikre korrekt forbindelse af udstyrsgrænseflader og integriteten af systemet. Realiseringen af denne præcision hjælpes normalt af højpræcise laseravstandsmålere og elektroniske niveauer til placering.Forberedelsen på installationsstedet inkluderer måling af overfladens flathed, med en standard på ikke mere end 3mm i højdeforskel per kvadratmeter. Miljøkravet for installation af GIS-udstyr er, at antallet af partikler med en diameter større end 0,5 μm i luften i installationsområdet ikke må overstige 352.000 pr. kubikmeter. Af denne grund sættes der normalt op et midlertidigt rentrumsmiljø på installationsstedet, og højeffektivt partikel-luftfilter (HEPA) anvendes til at opretholde luftkvaliteten og forhindre, at støv og partikler kommer ind i udstyret under installationsprocessen. De tekniske krav til udstyrsbehandling og placering vises i Tabel 2.

Komponentmontering

Kompontentenes forbindelser skal have en ekstremt høj tætningsydeevne for at forhindre gaslekkage. For GIS-udstyr, bør SF₆-gassens årlige lekkagerate ikke overstige 0,5%. Dette indikator er direkte relateret til udstyrets isoleringsstyrke og buelmodstandsdygtighed. For at opfylde dette krav, skal materialet til tætpakninger, der anvendes i monteringsprocessen, have fremragende temperatur- og trykmodstandsdygtighed. Desuden skal tætpakkens komprimeringsindstilling være 35% - 50% for at sikre langvarig tætningsvirksomhed.

Under den konkrete operation af komponentmontering, skal alle forbindelsespunkter fastgøres med en momentnøgle i overensstemmelse med momentet angivet af producenten. For eksempel, for de forbindelsesbolte, der primært bærer strøm, bør momentet være 100 - 120 N·m for at sikre stabilitet og pålidelighed af den elektriske forbindelse.

Elektriske forbindelser

Den primære opgave for elektriske forbindelser er at sikre, at alle ledende komponenter og forbindelsespunkter viser tilstrækkelig elektrisk ledningsevne og mekanisk stabilitet. Under forbindelsesprocessen, skal momentet på alle elektriske forbindelsespunkter overholde producentens specificerede krav for at garantere faste og langvarigt stabile forbindelser. Alle bolte og kontaktflader skal undergå passende rensning og forbehandlingen, typisk ved fjernelse af oksideringslag og anvendelse af ledbare smørelser for at reducere kontaktmodstanden.

Måling af kontaktmodstand er et afgørende trin i kvalitetskontrollen af elektriske forbindelser. Kontaktmodstanden ved forbindelsespunkter bør ikke overstige mikro-ohm-niveauet, med specifikke værdier fastsat i henhold til type og størrelse af forbindelsen [5]. For at opfylde denne standard, skal hvert forbindelsespunkt testes med en præcisionsmåler for modstand for at sikre, at alle forbindelser ligger inden for den specificerede modstandsinterval.

I højspændingsmiljøer er elektrisk isolation også en vital del af elektriske forbindelser. Hvert forbindelsespunkt og isoleringskomponent skal kunne klare mindst 1,5 gange den normale driftsspænding. For 110 kV GIS-udstyr betyder dette, at det kan klare minimum 165 kV. Vandtætte og fugtbeskyttende behandlinger for alle elektriske forbindelser er afgørende, især for understationsfaciliteter, der opererer i udendørs eller fugtige miljøer. Forbindelser og sluttingenheder bør anvende tætningsmetoder, der opfylder IP65 eller højere beskyttelsesklassifikation, for at forhindre, at fugt og forurening kommer ind i det elektriske system. De vigtigste tekniske krav til elektriske forbindelser vises i Tabel 3.

Kommissioneringsprøver

Kommissioneringsprøver starter generelt med enhedsniveau-prøver og går gradvis over til overordnede systemprøver. I isolationsmodstandsprøver sigter man på at sikre, at alle elektriske isolationsmaterialer bevarer god stand og er fri for potentielle skader, der kan være opstået under installationsprocessen. For at vurdere isolationsstyrken af GIS-udstyr, er holdbarhedsprøver nødvendige. For 110 kV GIS-udstyr, er den anvendte AC-prøvespænding i holdbarhedsprøven mindst 230 kV, med en varighed på 1 minut, for at undersøge systemets ydeevne under højspændingsforhold.

Delvis udladningsprøver (PD) er af særlig vigtighed for at vurdere sikkerheden af GIS-udstyr. Delvis udladning er et tidligt tegn på nedbrydning af isolationsmaterialer. Derfor er overvågning og kontrol af PD-aktivitet afgørende for at forhindre udstyrsfejl. Mængden af udladning, der registreres under prøven, bør ikke overstige 5 pC. PD-prøver udføres ved hjælp af akustisk emissionsdetektionsenheder på specifikke frekvenser for at sikre, at alle registrerede udladningsaktiviteter identificeres og vurderes korrekt.

Mekaniske driftsprøver af kredsløbsbrydere er også en del af kommissioneringsprøverne. Dette involverer flere efterfølgende åbne og lukkeoperationer af kredsløbsbryderne. Typisk kræves mindst 50 mekaniske operationer uden fejl for at verificere deres driftsfiabilitet. Tiden for hver operation registreres og sammenlignes med den standarddriftstid, der leveres af producenten, som normalt ligger mellem 30-50 ms. Systemsynkroniseringsprøver er også uundværlige. Denne prøve bruges til at verificere synkroniseringsydeevnen af komponenter som kredsløbsbrydere og frakoblere under faktiske driftsforhold. Synkroniseringsfejlen skal kontrolleres inden for ±10 ms for at sikre, at alle operationer udføres problemfrit inden for tidsrammen, der kræves af strømnæt.

Til sidst udføres overordnede systemfunktionsprøver, herunder inspektion af beskyttelses- og styresystemer. Dette trin sikrer, at alle beskyttelsesrelæ, styringsmoduler og kommunikationsenheder kan korrekt reagere på foruddefinerede fejl- og driftsforhold. Forskellige fejlscenarier simuleres under prøven for at verificere systemets reaktions- og handlingstid. Reaktions tiden for alle handlinger er generelt påkrævet at være inden for 100 ms.

Konklusion

Anvendelsen af GIS-udstyr i 110 kV-understationer optimerer ikke kun den eksisterende installationsproces og forbedrer det overordnede systemydeevne, men giver også stærk støtte til teknologisk fremskridt i energisektoren. Ved at dykke ned i installationsmetoder for GIS-udstyr, kan værdifulde referencematerialer gives til designerne. Dette gør det muligt for dem at træffe mere videnskabelige og effektive beslutninger, når de står over for komplekse ingeniørudfordringer, hvilket forbedrer succesraten for understationsprojekter.